РОТОРНО-ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ПРОДОЛЖЕННЫМ РАСШИРЕНИЕМ Российский патент 1998 года по МПК F02B53/00 

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к поршневым двигателям внутреннего сгорания с вращающимися рабочими органами, и может быть использовано в энергетическом машиностроении в качестве гидродвигателей, насоса и двигателя внутреннего сгорания на сухопутном и водном транспортах.

Известен роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания с продолженным расширением, содержащий корпус, ротор с расположенными в пазах ползунами, снабженными роликами [1].

Ползуны, расположенные в пазах ротора, непосредственно контактируют с рабочей поверхностью корпуса, а через ролики с односторонней беговой дорожкой. Рабочая поверхность выполнена цилиндрической и имеет контур с большим радиусом кривизны в зоне всасывания и с меньшим радиусом кривизны в зоне расширения, обеспечивая разные объемы всасывания и расширения, а следовательно, рабочий цикл с продолженным расширением.

Известен также роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания с продолженным расширением, содержащий корпус, ротор с расположенными в пазах ползунами, контактирующий непосредственно с рабочей поверхностью корпуса [2].

Рабочая поверхность корпуса выполнена цилиндрической, имеющей равные радиусы кривизны, как в зоне всасывания, так и в зоне расширения. Ротор смещен относительно центра рабочей поверхности корпуса к зоне всасывания, образуя разные объемы всасывания и расширения, обеспечивая рабочий цикл с продолженным расширением.

Описанные технические решения обладают следующими недостатками.

Взаимодействие ползунов с рабочей поверхностью корпуса без возможности приспосабливаемости к рабочему контуру при асимметричной геометрии рабочей поверхности корпуса [1], а также при симметричной геометрии рабочей поверхности корпуса, но со смещенным центром ротора [2] приводит к значительному увеличению угла контакта ползунов с рабочей поверхностью корпуса [2] и более значительному увеличению угла контакта ползунов с рабочей поверхностью корпуса [1], что приводит к увеличению толщины ползунов, а следовательно, к увеличению их массы. Увеличение массы ползунов приводит к увеличению сил инерции и контактных напряжений, а значит к увеличению износа рабочей поверхности корпуса, сокращению моторесурса, механического КПД и топливной экономичности.

Рабочая поверхность корпуса технического решения выполнена цилиндрической, образующие линии которой параллельны оси вала ротора, и образована движением этой образующей по эллипсу [1, 2]. Линия действия газовой силы, действующей на ползуны, всегда проходит вне контура ротора. В этом случае ползуны перекашиваются и имеет место кромочное трение с наружными кромками пазов ротора и внутренними концами ползунов со стенками пазов ротора при вхождении и выдвижении ползунов из пазов ротора. А при больших выдвижениях ползунов из пазов ротора может возникнуть заклинивание и их поломка.

Все перечисленные недостатки сводят на нет прирост мощности от продолженного расширения.

Наиболее близким техническим решением является роторно-поршневая машина, содержащая корпус с рабочей поверхностью, выполненной движением центра части окружности по овалу Кассини с соотношением , ротор с расположенными в пазах ползунами, шарнирно связанными с поршнями и снабженными с обеих сторон роликами, расположенными в двухсторонних беговых дорожках, выполненных в корпусе [3].

Ось ротора совмещена с центром рабочей поверхности корпуса, а центры осей роликов установлены на осевых линиях ползунов, поэтому объемы всасывания равны объемам расширения, а следовательно, степень продолженного расширения , т.е. отсутствует степень продолженного расширения.

Создание роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания с высокой топливоэкономичностью и бесшумностью за счет использования продолженного расширения в рабочем цикле с возможностью устранения негативного эффекта кромочного трения за счет возможности приспосабливаемости поршней к контуру рабочей поверхности корпуса при симметричной геометрии рабочей поверхности и со смещенными центром ротора является задачей, на решение которой направлено изобретение.

Сущность изобретения заключается в том, что в роторно-поршневом двигателе внутреннего сгорания с продолженным расширением, содержащем корпус с рабочей поверхностью, выполненной движением центра части окружности по овалу Кассини с соотношением , ротор с расположенными в пазах ползунами, шарнирно связанными с поршнями и снабженными с обеих сторон роликами, расположенными в двухсторонних беговых дорожках, выполненных в корпусе, оси роликов смещены относительно осей ползунов в сторону, противоположную направлению вращения ротора, на величину K < 0,5 H_п, а центр ротора смещен относительно центра рабочей поверхности корпуса в сторону, противоположную направлению вращения ротора, на величину, определяемую формулой

где
H_п - ширина ползуна в пазе ротора;
- степень продолженного расширения;
l₁ - расстояние между наружной поверхностью ротора и рабочей поверхностью корпуса в зоне всасывания;
l₂ - расстояние между наружной поверхностью ротора и рабочей поверхностью корпуса в зоне расширения;
Выполнение корпуса с рабочей поверхностью, выполненной движением центра части окружности по овалу Кассини с соотношением , обеспечивает большие объемы всасывания и расширения при тех же размерах малых и больших осей цилиндрической рабочей поверхности аналогов [1, 2], т.к. кривизна овала Кассини в зонах всасывания и расширения меньше по сравнению с кривизной в этих же зонах цилиндрической рабочей поверхности аналогов.

Смещение роликов относительно осей ползунов в сторону, противоположную направлению вращения ротора на величину K < 0,5 H_п, позволяет обеспечить последовательный односторонний прижим ползуна к стенке паза ротора, а также обеспечить минимальное время работы ползуна с перекошенной осью относительно паза ротора, что значительно уменьшает потери на кромочное трение при перекладке ползуна. Смещение роликов, таким образом, позволяет осуществить перекладку ползуна, начиная от шарнира поршня под действием сил газов на сегментные поверхности поршня, а затем ползун выравнивается, прижимаясь всей поверхностью к стенке паза ротора уже под действием составляющей нормальной силы инерции, перпендикулярной к оси ползуна и дополнительного момента, образованного в результате смещения ролика относительно оси ползуна, как произведение реакции нормальной составляющей силы инерции на смещение K < 0,5 H_п относительно оси ползуна. Совместное действие этих сил, а также шарнирное соединение поршней в пазе ротора при его вращении, т.е. обеспечивает приспособляемость поршней к контуру рабочей поверхности корпуса при вращении ротора, что в итоге повышает механический КПД и эффективность продолженного расширения и обеспечивает бесшумность работы двигателя.

Смещение ротора относительно центра рабочей поверхности корпуса в сторону, противоположную направлению вращения ротора, на величину, определяемую формулой

где
;
l₁ - расстояние между наружной поверхностью ротора и рабочей поверхностью корпуса в зоне всасывания;
l₂ - расстояние между наружной поверхностью ротора и рабочей поверхностью корпуса в зоне расширения.

Величины l₂ и l₁ соответственно пропорциональны объемам расширения (V_расш) и объемам всасывания (V_всас), т.е. .

Смещение ротора на величину l₀ обеспечивает увеличение объема расширения и уменьшение объема всасывания, т.е. в этом случае объем расширения будет во много раз больше объема всасывания. В зависимости от увеличение объема расширения относительно объема всасывания будет определяться степень продолженного расширения ρ = 2,5-3,5. .

На фиг. 1 изображен общий вид роторно-поршневого двигателя внутреннего сгорания с продолженным расширением; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - геометрия рабочей поверхности корпуса; на фиг. 4 - сечение Б-Б на фиг. 3.

Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания с продолженным расширением, содержащий корпус 1 с рабочей поверхностью, выполненной движением центра части окружности по овалу Кассини с соотношением , ротор 2 с расположенными в пазах ползунами 3, связанными шарнирами 4 с поршнями 5. Ползуны 3 снабжены с обеих сторон роликами 6, расположенными в двухсторонних беговых дорожках 7, выполненных в корпусе 1, и образующими рабочую камеру 8. Оси роликов 6 смещены относительно осей ползунов 3 в сторону, противоположную направлению вращения ротора 2 на величину K < 0,5 H_п, а центр ротора 2 смещен относительно центра рабочей поверхности корпуса 1 в сторону, противоположную направлению вращения ротора 2 на величину, определяемую формулой
,
где
.

Корпус 1 имеет впускной 9 и выпускной 10 коллекторы, свечу зажигания 11, зоны всасывания 12, сжатия-сгорания 13, расширения 14 и выпуска 15.

Работает двигатель следующим образом.

При вращении ротора 2 по часовой стрелке в зоне 11 происходит всасывание горячей смеси через впускной коллектор 9. Затем рабочая смесь в рабочей камере 8 сжимается в зоне сжатия 13, где она воспламеняется при возникновении искры на свече зажигания 11. Поскольку ротор 2 смещен относительно центра рабочей поверхности 8 корпуса 1 в сторону, противоположную направлению вращения ротора, на величину, определяемую формулой
,
где
- степень продолженного расширения;
l₁ - расстояние между наружной поверхностью ротора и рабочей поверхностью корпуса в зоне всасывания;
l₂ - расстояние между наружной поверхностью ротора и рабочей поверхностью корпуса в зоне расширения;
Величины l₂ и l₁ соответственно пропорциональны объемам расширения (V_расш) и объемам всасывания (V_всас), т.е. .

В зоне расширения 14 происходит увеличение объема рабочей камеры 8 в несколько раз по сравнению с объемом рабочей камеры в зоне всасывания 12. Такое многократное (2,5 - 3,5) увеличение объема рабочей камеры 8 в зоне расширения 14 за поворот ротора на угол 90^o обеспечивает продолженное расширение рабочего тела, а следовательно, максимально возможное использование теплоты рабочего тела - повышение мощности, топливной экономичности и улучшение весогабаритных и мощностных показателей двигателя. Давление и температура газов в результате многократного увеличения объема рабочей камеры 8 в зоне расширения 14 значительно снижается. Величина давления в момент максимального расширения рабочей камеры 8 в зоне расширения 14 снижается до уровня атмосферного. В результате происходит бесшумный выпуск в момент совмещения рабочей камеры 8 с выпускным коллектором 10 в зоне выпуска 15.

При вращении ротора 2 на ползуны 3 действуют нормальные силы инерции, передаваемые от ползунов 3 к роликам 6, оси которых смещены относительно осей ползунов 3 в сторону, противоположную направлению вращения ротора 2, на величину K < 0,5 H_п, где H_п - ширина ползунов 3. Поскольку оси роликов 6 смещены, то при вращении ротора 2 и прохождении ползунами 3 вертикальной линии в зоне сжатия 12 на угол 15 - 30^o (при числе камер от 12 до 8) происходит перекладка ползунов 3 в пазе ротора 2 в результате разности давлений перед и за ползунами 3. А при прохождении роликов 6 вертикальной линии в зоне сжатия 13 на угол 15 - 30^o (при числе камер от 12 до 8) продолжается перекладка ползунов 3 в пазе ротора 2 за счет составляющей нормальной силы инерции, перпендикулярной оси ползунов 3. Кроме того, смещение роликов 6 обеспечивает односторонний прижим ползунов 3 при их максимальном выдвижении из паза ротора 2, устраняя кромочное трение ползунов 3 о кромку паза ротора 2 в момент перекоса ползунов 3 в пазах ротора 2, и создает дополнительный момент, равный произведению величины смещения "K" на величину нормальной силы инерции. Таким образом, смещение роликов 6 на величину "K" обеспечивает гарантированный односторонний поджим ползуна к стенке паза ротора 2 без его перекоса, что приводит к устранению потерь от кромочного трения, что увеличивает механический КПД на 10-25% и исключает возможность заклинивания ползунов 3 в пазах ротора 2.

Изобретение относится к роторно-поршневым двигателям внутреннего сгорания и позволяет использовать продолженное расширение. Двигатель содержит корпус с рабочей поверхностью, выполненной движением цендра части окружности по овалу Кассини. Ротор выполнен с ползунами, шарнирно связанными с поршнями и снабженными с обеих сторон роликами, расположенными в двухсторонних беговых дорожках, выполненных в корпусе. Оси роликов смещены относительно осей ползунов в сторону, противоположную направлению вращения ротора на величину К < 0,5 Н_п, а центр ротора смещен относительно центра рабочей поверхности корпуса в сторону, противоположную направлению вращения ротора, на величину, определяемую формулой l_o = l₂(ρ-1)/ 2ρ , где Н_п - ширина ползуна в пазе ротора; ρ = l₂/ l₁> 1 - степень продолженного расширения; l₁ - расстояние между наружной поверхностью ротора и рабочей поверхностью корпуса в зоне всасывания; l₂ - расстояние между наружной поверхностью ротора и рабочей поверхностью корпуса в зоне расширения. 4 ил.

Роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания с продолженным расширением, содержащий корпус с рабочей поверхностью, выполненный движением центра части окружности по овалу Кассини с соотношением ротор с расположенными в пазах ползунами, шарнирно связанными с поршнями и снабженными с обеих сторон роликами, расположенными в двусторонних беговых дорожках, выполненных в корпусе, отличающийся тем, что оси роликов смещены относительно осей ползунов в сторону, противоположную направлению вращения ротора, на величину К < 0,5Н_п, а центр ротора смещен относительно центра рабочей поверхности корпуса в сторону, противоположную направлению вращения ротора на величину, определяемую формулой

где Н_п - ширина ползуна в пазе ротора;
- степень продолженного расширения;
l₁ - расстояние между наружной поверхностью ротора и рабочей поверхностью корпуса в зоне всасывания;
l₂ - расстояние между наружной поверхностью ротора и рабочей поверхностью корпуса в зоне расширения.